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テラヘルツテクノロジーフォーラム通信
テラヘルツテクノロジーフォーラム通信 Vol.12, No.2 追悼 テラヘルツテクノロジーフォーラム会長 萩行正憲先生が、2014 年 10 月 25 日に逝去されました （享年 61 歳）。萩行先生は、2013 年に、前会長の阪井先生から会長を受け継ぎ、本フォーラムの 発展に尽力されるとともに、本フォーラムの今後の展開やテラヘルツ技術の未来に関して多くの意 見を提案していただいていました。萩行先生のご逝去に関して、謹んで哀悼の意を表します。 萩行先生のご略歴 1976 年 京都大学 理学部 物理学科 卒業 1978 年 京都大学 理学研究科 物理学第一専攻 修了 1981 年 京都大学大学院理学研究科物理学第一専攻修了 同年、理学博士 1981 年 大阪大学工学部応用物理学科助手 1990 年 同大学超伝導エレクトロニクス研究センター助教授 1996 年 同教授 2000 年 同大学超伝導フォトニクス研究センター教授 2004 年 大阪大学レーザーエネルギー学研究センター教授 （改組による） 2013 年 4 月 テラヘルツテクノロジーフォーラム会長就任 2014 年 10 月 25 日 逝去 ありがとう萩行君 前テラヘルツテクノロジーフォーラム会長 阪井清美 萩行会長の訃報はあまりにも突然で、未だに信じられない気持ちです。国内外からの驚きと悲 しみの声を集めました。萩行さんが、人柄も実力も高く評価されていたことが良くわかります。 ・ 穏やかで抱擁力（人を纏めていける力）のある人だと感じていました。まだ若いのに残念です ね（畚野信義先生：フォーラム設立時からの顧問） ・ Masanori was such a sympathic person. I remember him with this picture from the Rome conference. Let us follow his wisdom and style. In deep grief, Fritz Keilmann. ・ Now we lost Hangyo San……Both Wendy and I feel very, very sad. I was extremely depressed in past two days. I met Hangyo in Tucson (IRMMW-THz) and Beijing (SPIE Asia Photonics). This is a big lose for me, for all of us, and for our community. Please give our deepest condolences to Hangyo San’s family and please let us know if there is anything we could help. X.-C. Zhang. ・ Professor Masanori Hangyo is passed away on Oct. 25. I am shocked and lost my words to say. He was such a gentleman, leader and our close friend. As you all know he delivered a great plenary talk at IRMMW-THz2014 in Tucson. I also send my deepest sympathy to Japanese friends. With deepest sadness, Gun-Sik Park (IRMMW-THz Society Chair). その他多数の方々から追悼の言葉をいただいております。 私（阪井）からは、 ・ 萩行君、若い人達を立派に育ててくれてありがとう。 ・ 萩行君、テラヘルツ分野で優れた仕事を残してくれてありがとう。若い頃から積み上げてきた ものが花咲いたんだね。9 月 Tucson で開催された IRMMW-THz 会議での君の plenary talk は印 象に残りました。 ・ 萩行君、テラヘルツコミュニティーの運営に尽力してくれて本当にありがとう。苦労も多かっ たね。 1 研究紹介 テラヘルツ波で宇宙のはじまりを⾒る ⾃然科学研究機構 国⽴天⽂台 先端技術センター 関本裕太郎 国立天文台の先端技術センターで開発している天体観測用の超伝導 MKID テラヘルツカメラの開発 を紹介する。 1. 宇宙マイクロ波背景輻射と原始重力波 今年 2014 年 3 月米国で大々的にプレスリリースされた原始重力波の発見は日本の新聞・テレビも賑 わしたので、多くの人が目にしたのではないだろうか。これはカルフォルニア工科大・ハーバード大 学などの Bicep2 グループが、宇宙マイクロ波(2.7 K)背景放射(Cosmic Microwave Background: CMB)の 偏光を 150 GHz にて全天の約 1%の領域を観測して、B モードと呼ばれる渦巻き状の偏光パターンを 検出し、宇宙を創成したインフレーション起源の原始重力波であると主張した。その後すぐに、CMB に対して前景放射とよばれる銀河系由来の星間塵(dust)による影響でも説明できるという論文が２編 でた。6 月に physical review letter1 に受理されたバージョンでは、確認が必要と結論されている。9 月 に Planck 衛星のグループがサブミットした論文 2 でも星間ダストの影響が示唆されている。 Bicep 2 グループが宇宙背景放射の偏光の検出に用いたのは、超伝導転移端センサー(Transition Edge Sensor: TES)という超伝導転移温度付近での急峻な抵抗の変化を読み出す方式である 3。TES は、光子 を熱に変換して検出する方式（ボロメーター）で、感度に優れており、ミリ波観測のみならず、可視 光や近赤外線から X 線ガンマ線などでも利用されている。しかし、SQUID 増幅器やバイアス電圧な どが必要であり、1000 素子程度までは対応できるが、1 万素子や 10 万素子が必要となる将来の天体観 測用イメージセンサーとしては困難を伴う。 2. MKID 焦点面検出器 MKID (Microwave Kinetic Inductance Detector)は、Caltech の Jonas Zmuidzinas 氏らが発明した超伝導 薄膜の Kinetic Inductance の変化を共振器によって読み出す検出器で、周波数多重化が容易である 4。 Kinetic inductance は、超伝導薄膜の準粒子数によって変化するため、検出器を極低温に冷却し、クー パー対が占有する状態にしておく。テラヘルツ光子がこのクーパー対を壊して準粒子を生成すること によって kinetic inductance が増大し、共振器でそれを読み取る。超伝導共振器の Q は 105 程度が容易 で、 一つのマイクロ波増幅器(例えば 4 – 8 GHz)によって 1000 素子程度を読み出せる。超伝導膜の転 移温度に対応するギャップ周波数以上の光子を検出できる。例えば Al (Tc = 1.2 K)のギャップ周波数は 90 GHz、Nb (Tc = 9 K)では 700 GHz であり、それより高い周波数を検出できる。その超伝導転移温度 の 1/5 くらいの低温(0.2 K と 2 K)に冷やす必要がある。 MKID の TES に比べた特徴は、1. 周波数多 重化が容易 2. バイアス線が不要 3. ダイナミックレンジが高い、4.温度変化に強い、となる。 我々のグループは 2009 年より KEK や理研と協力して、CMB の B モード観測を目指して、Al をも ちいた MKID カメラの開発を進めた。超伝導 double slot antenna と 1/4 波長 Coplanar waveguide (CPW) 共振器を組み合わせた 220 GHz-600 画素カメラを開発した(図 1)。厚み 100 nm の Al 一層をシリコン基 2 板に積んだ、シンプルな検出器である。600 画素は、一つの読み出し線(CPW)でつながっており、入 力と出力は SMA コネクタが配置されている。共振周波数は、マイクロ波帯(3 – 7 GHz) に 4 MHz 間隔 で配置されている。これを 0.1 K に冷却して、歩留り 95%を達成した。このカメラは、天体望遠鏡の 焦点面に置くことで、初期の宇宙で形成された遠方銀河の探査も可能となる。 図 1 (左)220 GHz- 600 画素 MKID カメラと(右)一画素の拡大図。600 画素は、一対の同軸ケーブルで 読み出される。600 素子の共振器を読み出すための周波数 Comb(櫛状のキャリア)が入力されて、出力 はマイクロ波増幅器(例えば 4 – 8 GHz)で読み出される。右図の左下にある H 型をした double slot antenna は 200 – 250 GHz の帯域を持つ。右側の並状のものがマイクロ波共振器。一番右側の上下に貫 く線が読み出し線である。600 画素カメラでは、共振周波数が少しずつ異なっており、一つの増幅器 で読み出すことが可能となる。 LiteBIRD 衛星(図 2)は、Kavli IPMU や JAXA が主導して CMB の B-mode 偏光を全天観測する衛星である 5。自然科学機構長の 佐藤勝彦 6 や Alan Guth によって提唱されたビッグバンを引き起 こす原因となったインフレーション仮説を観測的に明らかにす る。2020 年代前半に打ち上げを目指している。これまでの CMB 観測衛星(WMAP, Planck)は、空間の温度分布を計測して、その 空間的な揺らぎを調べた。その結果、宇宙の年齢 138 億年、そ してダークエネルギー(68%)、ダークマター(27%)の存在比など、 宇宙の組成を明らかにした 7。LiteBIRD は CMB の偏光パター 図 2 LiteBIRD 衛星 5 ンを高精度で観測し、インフレーションで生成される原始重力波が生成する B-mode と呼ばれる渦巻 き状、つまり鏡面変換で非対称な成分の割合を調べる。これにより、インフレーション理論を確立し、 宇宙創成のエネルギースケール(〜1016 eV)を探るという野心的な計画である。そのためには、検出器 の光学的特性や検出感度が鍵となる。 天体観測では、検出器の雑音を下げることや光学特性を良くすることが重要となる。MKID の雑音 の原因として、TLF (Two level fluctuation, TLS: Two level system)による位相雑音が知られている 8。一 3 方、野口等は、超伝導エネルギーギャップ内に残存する準位によって準粒子が生成され、雑音を生じ ているという仮説を立てている 9。この雑音特性を改善するためには、高品質の超伝導膜が必要にな る。 成瀬他 10 は自作の分子線エピタキシー(MBE)装置を用いて、結晶性のよい Al 薄膜を Si (111)基板 上に成膜し、低雑性能 6 x 10-18 W/√Hz という世界最高レベルに達している 11。超伝導 MKID 検出に直 づけする Si レンズアレイを開発し、対称性の良いビームの測定にも成功している 12。さらに、レンズ アレイとダブルスロットアンテナの間隔を狭めて、焦点面を効率よく利用する密度の高い光学設計も 行った 13。 検出感度を極めるためには、デバイスの高性能化とともに、 その計測システムの高精度化が鍵となる。冷却・計測システム を図 3 に示す。この冷却システムは、大陽日酸社製の 0.1 K 希 釈冷凍機を用いている。これは、3He/4He を用いたクローズド サイクルの冷却システムで、自動ガスハンドリングシステムの おかげで、スイッチ一つで 0.1 K に冷却してくれる便利な装置 である。1990 年代の後半に 4K-GM 冷凍機の普及により、4 K での実験は楽になったが、0.1 K でも同様に容易になってきてい る。データ取得装置には、100 素子を一度に読み出せる複素 FFT を行うシステムを開発した 14。今後より大規模なデータ取得装 置を開発したいと考えている。 3. 展望 米国やヨーロッパを中心に多くの研究グループがこの MKID を用いた検出器の開発を進めている。ミリ波から可視光、そし て X 線ガンマ線の焦点面観測装置である。ミリ波帯では、超伝 導狭帯域フィルターバンクと組合わせた面分光カメラなど意欲 的な開発も始まっている 15。より広視野な光学系と組合わせた 天体観測装置の設計も進められている 16,17。また、高感度テラ ヘルツパッシブ画像として、産業化応用についても検討が進め られている。 MKID の信号を読み出す高速のデータ取得システムの開発は、 今後の大きな課題である。また、集光レンズや周波数選択フィル ターや真空窓などのテラヘルツ関連の準光学部品は、周波数帯域 図 3 冷却(0.1 K)システムとビー ム測定装置 や損失の観点から、可視光や近赤外線領域に較べて大きく遅れており、関連研究者による開発を期待 している。テラヘルツ分野が一層発展するためには、デバイスのみならず、周波数選択フィルター、 光学レンズ等の周辺装置の性能向上が鍵になると考えている。 謝辞 本研究は、科研費新学術研究「初期宇宙探査のための超高感度アレイデバイスの研究開発」(21111003 代表 大谷知行)、基盤研究 A (25247022)にてサポートされ、先端技術センターの唐津謙一、新田冬夢、 野口卓、Agnes Dominjon、松尾宏、岡田則夫、三ツ井健司、東京大学天文学専攻 関根正和、関口繁之、 4 岡田隆志、Shibo Shu らとともにおこなれました。また日頃より本研究に関する貴重なアドバイスを頂 いている（敬称略）、成瀬雅人、田井野徹、明連広昭 (埼玉大学)、遠藤光、Teun M. Klapwijk (TU Delft)、 Wenlei Shan、Sheng-Cai Shi (紫金山天文台)、羽澄昌史、田島治 (KEK)、片山伸彦 (Kavli IPMU)、松村 知岳、宮地晃平、松原英雄、満田和久 (ISAS/JAXA)、大谷知行 (理研)、中井直正 (筑波大)、石野宏和 (岡山大学)、稲谷順司、鹿島伸吾、木内等、杉本正宏 (国立天文台)の皆様に深く感謝申し上げます。 参考文献 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. Ade, P. A. R. et al. Detection of B-Mode Polarization at Degree Angular Scales by BICEP2. Phys. Rev. Lett. 112, 241101 (2014). Planck Collaboration et al. Planck intermediate results. XXX. The angular power spectrum of polarized dust emission at intermediate and high Galactic latitudes. 23 (2014). at <http://arxiv.org/abs/1409.5738> Irwin, K. D. An application of electrothermal feedback for high resolution cryogenic particle detection. Appl. Phys. Lett. 66, 1998 (1995). Zmuidzinas, J. Superconducting Microresonators: Physics and Applications. Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 3, 169–214 (2012). Matsumura, T. et al. LiteBIRD: mission overview and design tradeoffs. in SPIE Astron. Telesc. + Instrum. (Oschmann, J. M., Clampin, M., Fazio, G. G. & MacEwen, H. A.) 91431F (International Society for Optics and Photonics, 2014). doi:10.1117/12.2055794 Sato, K. First-order phase transition of a vacuum and the expansion of the Universe. Mon. Not. R. Astron. Soc. 195, 467–479 (1981). Planck Collaboration et al. Planck 2013 results. I. Overview of products and scientific results. Astron. Astrophys. (2013). doi:10.1051/0004-6361/201321529 Gao, J., Zmuidzinas, J., Mazin, B. a., LeDuc, H. G. & Day, P. K. Noise properties of superconducting coplanar waveguide microwave resonators. Appl. Phys. Lett. 90, 102507 (2007). Noguchi, T., Naruse, M. & Sekimoto, Y. Contribution of Quasiparticles in the Subgap States to the Surface Impedance of Superconductors. IEEE Trans. Appl. Supercond. 23, 1501404–1501404 (2013). Naruse, M. et al. Development of Crystal Al MKIDs by Molecular Beam Epitaxy. J. Low Temp. Phys. 167, 373–378 (2012). Naruse, M. et al. Optical Efficiencies of Lens-Antenna Coupled Kinetic Inductance Detectors at 220 GHz. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 3, 180–186 (2013). Nitta, T. et al. Beam Pattern Measurements of Millimeter-Wave Kinetic Inductance Detector Camera With Direct Machined Silicon Lens Array. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 3, 56–62 (2013). Nitta, T. et al. Close-Packed Silicon Lens Antennas for Millimeter-Wave MKID Camera. J Low Temp. Phys. 176, 684–690 (2014). Karatsu, K. et al. Development of 1000 arrays MKID Camera for the CMB Observation. in SPIE 84520Q (2012). Endo, A. et al. Design of an Integrated Filterbank for DESHIMA: On-Chip Submillimeter Imaging Spectrograph Based on Superconducting Resonators. J. Low Temp. Phys. 167, 341–346 (2012). Tsuzuki, T. et al. Design of wide-field Nasmyth optics for a submillimeter camera. in SPIE Astron. Telesc. + Instrum. (Holland, W. S. & Zmuidzinas, J.) 91532U (International Society for Optics and Photonics, 2014). doi:10.1117/12.2055694 Sekimoto, Y. et al. Developments of wide field submillimeter optics and lens antenna-coupled MKID cameras. in SPIE Astron. Telesc. + Instrum. (Holland, W. S. & Zmuidzinas, J.) 91532P (International Society for Optics and Photonics, 2014). doi:10.1117/12.2055666 5 国際会議紹介 国際シンポジウム「テラヘルツテクノロジーの最前線 2015(FTT2015)」 テラヘルツテクノロジーフォーラム会長で、FTT 2012 を組織委員長として開催された萩行正憲先生 （大阪大学）から、第 2 回の FTT 2015 を浜松で開催するようにと言われたのは、2014 年 3 月のフォー ラム理事会でした。それから浜松の 会議場を予約するなど準備を始め、 ようやく組織委員会を立上げ、10 月 20 日に、萩行先生も参加されて、浜 松で第 2 回 FTT 2015 組織委員会を開 き、晩には駅構内の居酒屋で楽しく 懇親会も持ちました。それから一週 間も経たずして、25 日未明萩行先生 が急逝されてしまいました。 しばらく呆然としていましたが、 FTT 2012 での集合写真（前列向かって左より 10 人目が萩行先生） 「テラテク通信」上で、皆様に改めて FTT 2015 について、お知らせすることとなりましたので、追悼 の意を込め、萩行先生が FTT に期待されていたように、テラヘルツ技術が科学と産業利用に真に役立つ ことを支持し、応援できるよう、FTT 2015 の開催を進めたいと思います。 FTT 2015: The Second International Symposium on Frontiers in THz Technology は、テラヘルツテクノロジ ーフォーラムと日本学術振興会産学協力研究委員会「テラヘルツ波科学技術と産業開拓第 182 委員会」 （阪井清美委員長）の共催によって 2015 年 8 月 30 日(日)～9 月 2 日(水)に、浜松駅から歩いてすぐのア クトシティ浜松・コングレスセンターで開催されます。同じ年に香港で開催される IRMMW-THz 2015 の直ぐ後に引続いて行われますので、欧米からの参加に加え、近年経済発展が著しいアジアからの参加 に重きをおき、アジア諸国との協力を推進することにしています。 開催地の浜松市は、遠州地方と呼ばれる静岡県西部 にあり、東京と京都・大阪の真ん中あたりに位置しま す。浜松市は、自動車、オートバイ、楽器、光電子機 器に関連する生産業が盛んなものづくりの街です。ま た、市の北は赤石山系の分水嶺、南は遠州灘を臨む砂 丘、東は天竜川、西は浜名湖まで広がり、農業、畜産 業、水産業が盛んで、 「三ヶ日みかん」で知られるみか んやお茶、 「浜名湖もちぶた」 （豚肉）や「静岡そだち」 （牛肉）、天竜川上流のアユやアマゴ、浜名湖のウナギ、 遠州灘のシラスなどおいしい食べ物がいっぱいありま す。 浜名湖の景観（浜松観光コンベンションビューロ 浜松市は、徳川家康が 1570 年に濱松城を築いた場所 ー提供） で、犀ヶ崖古戦場など、家康ゆかりの史跡が多くあります。2015 年はちょうど徳川家康公薨去（こうき ょ）400 年にあたり四百年祭が行われます。 また、2015 年は、イブン・アル・ハイサムの光に関する研究から 1000 年になるなど、多くの光科学 に関する画期的な出来事の記念の年にあたるため、光および光技術の国際年とすることが、ユネスコで 決められました。 そのような記念の年に開催される FTT 2015 に、是非多くの関係者の皆様がご参加いただきますよう 宜しくお願いいたします。下記に重要な日程を記します。 発表申込（アブストラクト 200 語）締切り 2015 年 3 月 31 日 参加登録(早割)締切り 2015 年 7 月 15 日 詳しくは、ホームページ http://www.ftt2015.com/ をご覧ください。 （FTT 2015 組織委員長 廣本宣久） 6 国内会議・国際会議予定 平成２６年度 第 2 回テラヘルツ技術セミナー のお知らせ 日時： 2014 年 12 月 15 日（月） 場所： 大阪産業大学梅田サテライトキャンパス A&B 教室 詳細・参加申込は、http://www.terahertzjapan.com/event/2014kenkyukai2.html をご参照くださ い。 国際会議およびシンポジウム等 Advanced Solid State Lasers November 16-21, 2014 (Shanghai, China) http://www.osa.org/en-us/meetings/topical_meetings/advanced_solid-state_lasers/ THz-Plasma 2014 November 30 - December 3, 2014 (Kyoto Japan) http://sk.kuee.kyoto-u.ac.jp/plasma2014/ Fifth International Symposium on Terahertz Nanoscience (TeraNano V) December 1-5, 2014 (Martinique, France) http://nanojapan.rice.edu/teranano5.shtml 19th International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP 2014) December 2-5, 2014 (Kaohsiung, Taiwan) http://isap2014.org/ Optical Terahertz Science and Technology 2015(OTST 2015) March 8-13, 2015 (San Diego, USA) http://otst2015.ucsd.edu/ The 9th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP2015) April 12-17, 2015 (Lisbon, Portugal) http://www.eucap2015.org/ OPTICS & PHOTONICS International Congress 2015 (OPIC 2015) April 22-24, 2015 (Yokohama, Japan) http://opicon.jp/ja/ CLEO:2015 May 10-15, 2015 (San Jose, USA) http://www.cleoconference.org/home/ International Microwave Symposium 2015 May 17-22, 2015 (Phoenix, Arizona) http://www.ims2015.org/ CLEO/Europe-EQEC 2015 June21-25, 2015 (Munich, Germany) http://www.cleoeurope.org/ 合同国際シンポジウム「第 3 回マイクロ波とテラヘルツ波の科学と応用に関する国際シンポジウム （MTSA 2015）」および「第 5 回テラヘルツナノ科学に関する国際シンポジウム (Teranano 2015) June 30-July 4, 2015 (Okinawa, Japan) https://groups.oist.jp/ja/cws/oist-workshops-2015 The 36th Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS) July 6-9, 2015 (Prague, Czech Republic) http://www.piers.org/piers2015Prague/ 2015 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and North American Radio 7 Science Meeting (APS2015) July 19-25, 2015 (Vancouver, BC, Canada) http://www.2015apsursi.org/default.asp NEMO2015 August 11-14, 2015 (Ottawa, Canada) http://nemo-ieee.org/ IRMMW-THz 2015 August 23-28, 2015 (Hong Kong) http://bme.ee.cuhk.edu.hk/thzgroup/irmmw2015/index.html The 11th Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR 2015) August 24-28, 2015 (Busan, Korea) http://www.cleopr2015.org International Conference on Frontiers in Terahertz Technology (FTT2015) August 30 – September 2 (Hamamatsu, Japan) URL: to be determined International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2015) November 9-12, 2015 (Tasmania, Australia) http://isap2015.org/ 国内会議および研究会等 分光フェア 2014 2014 年 11 月 18 日～20 日（科学技術館） http://www.optronics.co.jp/fair/sp/index.php 日本赤外線学会研究発表会 2014 年 11 月 27 日～28 日（大阪府立大学中百舌鳥キャンパス） http://www.jsir.org/wp/?page_id=3714 レーザー学会学術講演会 2015 年 1 月 11 日～12 日（東海大学高輪校舎） http://www.lsj.or.jp/laser/ 電子情報通信学会総合大会 2014 年 3 月 10 日～13 日（立命館大学） http://www.toyoag.co.jp/ieice/G_top/g_top.html 応用物理学会春季学術講演会 2015 年 3 月 11 日～14 日（東海大学湘南キャンパス） https://www.jsap.or.jp/ テラヘルツテクノロジーフォーラム通信 Vol.12, No.2 発行日 2014 年 11 月 19 日 企画・編集 山本晃司（福井大学）、林伸一郎（理化学研究所）、武田正典（静岡大学）、 鈴木健仁（茨城大学） メール：[email protected] 発行 テラヘルツテクノロジーフォーラム事務局 〒162-0801 東京都新宿区山吹町 358-5 アカデミーセンター Tel: 03-5937-0474 Fax: 03-3368-2822 E-mail：[email protected] http://www.terahertzjapan.com 8